范川

(湖南華電常德發(fā)電有限公司，湖南常德415001)

某電廠2×660 MW機(jī)組汽輪機(jī)采用上海汽輪機(jī)有限公司和德國西門子公司聯(lián)合設(shè)計(jì)制造的N660—25/600/600型超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、反動凝汽式汽輪機(jī)。兩臺機(jī)組于2015年底投入運(yùn)行。

該機(jī)型汽輪機(jī)由4個汽缸組成，1個單流高壓缸、1個雙流中壓缸、2個雙流低壓缸。軸承則采用N＋1型單軸承支撐結(jié)構(gòu) (圖1)，即4根轉(zhuǎn)子5個軸承支撐，其中高壓轉(zhuǎn)子由兩個軸承支撐、中壓轉(zhuǎn)子及兩個低壓轉(zhuǎn)子各由1個軸承支撐。這種支撐形式，可以有效地減少基礎(chǔ)變形對軸承荷載和軸系對中的影響，使機(jī)組軸系對中更加容易，但同時(shí)也使得軸承安裝要求非常嚴(yán)格，受施工工藝水平影響較大。目前已投運(yùn)的西門子超超臨界機(jī)組中，很多機(jī)組均出現(xiàn)了不同程度的軸系振動問題〔1〕。

圖1 西門子技術(shù)超超臨界660 MW機(jī)組軸系結(jié)構(gòu)

該廠1號機(jī)組也出現(xiàn)了較嚴(yán)重的振動問題。其中1號軸承在330～380 MW負(fù)荷段時(shí)，X向最大軸振甚至達(dá)到了320 μm，該型機(jī)組絕對振動進(jìn)停機(jī)保護(hù)，軸振只作為振動監(jiān)視參考，嚴(yán)重影響機(jī)組安全運(yùn)行。

1 停機(jī)翻瓦檢查情況

2016年11月，利用機(jī)組停機(jī)消缺機(jī)會，對1號軸承進(jìn)行了翻瓦檢查，檢查發(fā)現(xiàn)1號軸承存在較嚴(yán)重的問題:

1)1號軸承整體逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)移位，軸承橫向偏向汽側(cè)、縱向向勵端傾斜。

2)上半軸承勵端、下半軸承左側(cè)偏磨嚴(yán)重，軸承瓦枕右側(cè)處于單面摩擦狀態(tài)、軸承支座右側(cè)有較深的刮痕。

3)軸承球面體及瓦枕電腐蝕嚴(yán)重，轉(zhuǎn)子軸頸處也有電腐蝕現(xiàn)象。

2 振動故障原因分析

2.1 翻瓦前TDM振動數(shù)據(jù)分析

由于該軸承振動幅值變化重復(fù)性不強(qiáng)，本次選用軸承翻瓦檢查前某次報(bào)警的數(shù)據(jù)來進(jìn)行分析。振動數(shù)據(jù)見表1，振動頻譜及波形如圖2、3所示。

表1 振動數(shù)據(jù)表

圖2 軸振頻譜

圖3 軸振波形

可以看出，振動有下列特征:

1)振動異常時(shí)，頻譜中0.5X幅值達(dá)175 μm，1X幅值達(dá)177 μm，同時(shí)伴有較小的1.5X、2X、2.5X、3X、3.5X、4X等諧波，可能存在轉(zhuǎn)子碰磨或軸承磨損、 松動〔2〕。

2)振動頻譜中一倍頻幅值較大，可能有轉(zhuǎn)子不平衡或熱彎曲存在。

3)振動頻譜中0.5X分量達(dá)175 μm，可能為汽流激振或油膜渦動。但該機(jī)型采用全周進(jìn)汽，在不開補(bǔ)汽閥的情況下一般不會因汽流激振誘發(fā)低頻振動〔3〕，故可排除汽流激振原因。

2.2 負(fù)荷影響分析

該軸振與負(fù)荷變化關(guān)系明顯。從圖4負(fù)荷—振動—軸瓦溫度關(guān)系圖上可以看出:當(dāng)負(fù)荷降低時(shí)，軸承左前下部溫度開始升高，軸振動也開始增大，振動增大過程滯后約2～3 h；當(dāng)負(fù)荷開始升高時(shí)，軸承左前下部溫度開始降低，軸振動也同步減小。結(jié)合軸承解體情況，其原因可能為軸頸與軸瓦摩擦。

圖4 負(fù)荷—振動—軸瓦溫度關(guān)系

當(dāng)機(jī)組負(fù)荷降低時(shí)，軸承載荷降低，軸承穩(wěn)定性變差，同時(shí)轉(zhuǎn)子中心上升，上半軸承勵端、下半軸承調(diào)端與轉(zhuǎn)子之間的間隙變小，油膜變薄。由于此時(shí)軸承各處油膜厚度不均，油膜發(fā)生半速渦動，軸瓦溫度升高。此時(shí)軸頸發(fā)生暫態(tài)熱彎曲、振動增加〔4〕，嚴(yán)重時(shí)轉(zhuǎn)子與軸瓦之間產(chǎn)生碰磨，振動大幅上升。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷增加時(shí)，高壓缸進(jìn)汽量增加，軸承載荷增加，此時(shí)軸承穩(wěn)定性變好。同時(shí)轉(zhuǎn)子中心下降，軸承與轉(zhuǎn)子間間隙恢復(fù)，油膜趨于穩(wěn)定，軸承溫度降低，軸承振動幅值亦隨之減小。

2.3 軸承偏斜原因分析

汽輪機(jī)安裝時(shí)，軸承兩側(cè)插片間隙及軸承防跳間隙較大，具體位置如圖5、6所示，轉(zhuǎn)子在高速運(yùn)行時(shí)對軸承產(chǎn)生一個逆時(shí)針的切向力，使得軸承逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)并向右側(cè)偏斜。當(dāng)該間隙偏大時(shí)，軸承會產(chǎn)生較大位移，并造成軸承不能回位至原來位置。再加上軸承球面體及瓦枕電腐蝕問題，進(jìn)一步加重了軸承偏斜程度，并導(dǎo)致軸承與轉(zhuǎn)子不對中、軸承發(fā)生偏磨。

圖5 軸承插片間隙圖

圖6 軸承防跳間隙圖

2.4 軸承及瓦枕電腐蝕原因分析

軸承發(fā)生電腐蝕主要是由軸電壓引起的。誘發(fā)軸電壓的原因很多，主要有靜電荷引起的軸電壓、磁不對稱引起的軸電壓、靜態(tài)勵磁系統(tǒng)產(chǎn)生的高頻軸電壓、剩磁引起的軸電壓等〔5〕。

該廠軸承電腐蝕發(fā)生在軸承處，其離發(fā)電機(jī)較遠(yuǎn)，且低壓缸與發(fā)電機(jī)之間的5號軸承處設(shè)置了接地碳刷，經(jīng)檢查該處接地碳刷接觸良好，故軸電壓產(chǎn)生的原因主要是靜電荷引起的軸電壓。結(jié)合轉(zhuǎn)子與軸瓦碰磨這一現(xiàn)象進(jìn)一步分析，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，蒸汽與葉片相互摩擦使得高壓轉(zhuǎn)子上累積了大量的靜電荷，當(dāng)1號軸承與轉(zhuǎn)子碰磨時(shí)靜電荷擊穿油膜絕緣，導(dǎo)致軸承發(fā)生電腐蝕。

3 振動故障處理

根據(jù)翻瓦檢查情況及振動原因分析，針對軸承碰磨和油膜渦動兩大原因制定了如下處理措施:

1)因原軸承電腐蝕及單面磨損嚴(yán)重，軸承穩(wěn)定性及自位能力已無法保證，本次處理時(shí)直接對原軸承整體進(jìn)行了更換，并對軸承支座進(jìn)行研磨。

2)調(diào)整軸承相對于轉(zhuǎn)子的中心，恢復(fù)軸承兩側(cè)間隙均勻，以使運(yùn)行中的油膜厚度均勻。

3)為防止軸承再次旋轉(zhuǎn)偏斜，調(diào)整軸承兩側(cè)插片間隙，將其恢復(fù)至0.01～0.03 mm，按最小值0.01 mm進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整軸承兩側(cè)防跳間隙，將兩側(cè)防跳間隙從設(shè)計(jì)值0.20～0.25 mm，調(diào)整至0.15 mm。

4)為增加軸承穩(wěn)定性，增大軸承載荷，將軸承標(biāo)高上抬0.10 mm，同時(shí)將軸承頂隙從設(shè)計(jì)值0.30～0.37 mm，實(shí)際調(diào)整至0.28 mm。

4 處理后運(yùn)行情況

按上述故障處理方案對軸承進(jìn)行了更換及間隙調(diào)整，機(jī)組啟機(jī)后帶負(fù)荷運(yùn)行后，軸承振動正常，軸振合成值最大值為72 μm，振動處理效果良好。另外，根據(jù)2017年4月該機(jī)檢查性大修時(shí)對軸承的檢查情況看，處理后的軸承除上半軸承有輕微摩擦外，未發(fā)現(xiàn)軸承偏斜及電腐蝕等其他問題。修前修后主要數(shù)據(jù)對比見表2。

表2 修前修后主要數(shù)據(jù) mm

5 結(jié)論

1)西門子技術(shù)超超臨界汽輪機(jī)因其獨(dú)特的軸系和汽缸結(jié)構(gòu)、配汽方式，其性能 (特別是經(jīng)濟(jì)性)有著巨大的優(yōu)勢，但在運(yùn)行中也存在較多問題。本次對某電廠軸承振動問題的處理效果良好，其處理方法對同類型機(jī)組有一定的借鑒作用。

2)由于單支撐軸系相鄰各轉(zhuǎn)子振動特性相互耦合，轉(zhuǎn)子間相互影響較雙支撐結(jié)構(gòu)機(jī)組明顯增大〔1〕，因而需在機(jī)組大修時(shí)對其他軸承進(jìn)行檢修，以將整臺機(jī)組振動控制在優(yōu)良范圍內(nèi)。

3)軸承振動僅從檢修方面進(jìn)行分析處理，但在運(yùn)行過程中可明顯觀察出該軸承振動幅值受運(yùn)行參數(shù)影響較大，因而需在運(yùn)行過程中進(jìn)一步摸索各運(yùn)行參數(shù)對振動的影響。

〔1〕崔亞輝，姚劍飛，張俊杰，等.1 000 MW汽輪機(jī)組N＋1支撐軸系的不平衡振動特性研究 〔J〕.中國電力，2015，48(10):1-5.

〔2〕陳長征，胡立新，周勃費(fèi)，等.設(shè)備振動分析與故障診斷技術(shù)〔M〕.北京:科學(xué)出版社，2007.

〔3〕浙江省電力試驗(yàn)研究院.單支撐超超臨界百萬機(jī)組振動技術(shù)研究報(bào)告 〔R〕.2010.

〔4〕張學(xué)延，張衛(wèi)軍，葛祥，等.西門子技術(shù)1 000 MW超超臨界機(jī)組軸系振動問題 〔J〕.中國電力.2012，45(5):68-72.

〔5〕王宇.大型汽輪發(fā)電機(jī)軸電壓及軸瓦電腐蝕研究 〔D〕.保定:華北電力大學(xué)，2009.